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 L'instrument VLT-SPHERE chasseur d'exoplanètes

Publié le 4 juin 2014


L’instrument SPHERE (Spectro-Polarimètre à Haut contraste dédié à la REcherche d’Exoplanètes) vient d’être installé avec succès sur le Très grand Télescope (VLT) de l’ESO et a obtenu sa première lumière.


C’est une très belle aventure scientifique à laquelle le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) participe depuis 2004. SPHERE, ce véritable chasseur d’exoplanètes permettra de détecter en imagerie directe des exoplanètes gazeuses et des disques de poussières autour d’étoiles proches du Soleil (jusqu’à 300 années lumière) avec une finesse et un contraste inégalés. SPHERE sera capable de détecter le signal d’une planète jusqu’à un million de fois plus faible que son étoile hôte, soit un gain de plusieurs ordres de grandeur par rapport à l’instrumentation existante. L’instrument SPHERE a été développé par un consortium européen mené par l’IPAG (CNRS/Université Joseph Fourier) avec le LAM (CNRS/Aix-Marseille Université), l’ONERA, le LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université Paris Diderot), le laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur/CNRS/Université Nice-Sophia Antipolis) et des instituts allemands, italiens, suisses et néerlandais [1]. Les premiers résultats scientifiques sont attendus pour la fin de cette année.



L’existence de plus d’un millier de planètes en orbite autour d’étoiles autres que le Soleil a déjà été confirmée. La plupart d’entre elles ont été découvertes en étudiant les variations de luminosité générées par le passage de planètes devant leurs étoiles hôtes (méthode des transits) et grâce à l’observation des mouvements de l’étoile résultant de l’existence de planètes en orbite (méthode des vitesses radiales). A ce jour, seules quelques planètes ont été détectées par les images directes de l’émission de la planète à côté de celle de son étoile hôte.
SPHERE découvrira des planètes « jeunes », c’est-à-dire de 10 à 200 millions d’années seulement ; ces nouvelles planètes, à peine formées, aideront les scientifiques a mieux comprendre la formation et la migration des planètes géantes, car ces processus opèrent dans la « petite enfance » des systèmes. « Les planètes détectées par SPHERE complèteront le tableau, car toutes les autres méthodes sont plutôt sensibles aux planètes évoluées, de plusieurs milliards d’années », commente Arthur Vigan, scientifique au LAM et expert des exoplanètes.
L’instrument SPHERE a pour principal objectif de détecter et de caractériser, au moyen de l’imagerie directe, des exoplanètes géantes en orbite autour d’étoiles proches. Cela constitue un challenge de taille puisque de telles planètes se situent à proximité immédiate de leurs étoiles hôtes et sont caractérisées par une luminosité bien plus faible. Sur une image normale, pourtant acquise dans les meilleures conditions, la lumière en provenance de l’étoile masque totalement la faible lueur issue de la planète. Toute la conception de SPHERE a donc reposé sur la nécessité d’obtenir le contraste le plus élevé possible dans l’environnement immédiat de l’étoile. Pour faire une analogie : cela revient à observer, en étant à Paris, la lumière d’une bougie à 50 cm d’un phare situé à Marseille.
Associant un défi scientifique à un défi technologique, SPHERE est l’un des instruments d’observation astronomique depuis le sol les plus complexes jamais réalisés. Il est notamment composé d’un système d’optique adaptative extrême utilisant un miroir déformable comprenant plus de 1300 actionneurs qui corrigent plus de 1200 fois par seconde, à une échelle nanométrique, les effets de la turbulence atmosphérique. SPHERE comprend aussi des masques coronographiques pour bloquer la lumière de l’étoile centrale et trois modules de détection de la lumière mettant en œuvre des techniques d’imagerie, de spectroscopie et de polarimétrie différentielles, dans le visible et l’infrarouge proche. « Le haut degré de performance de SPHERE s’explique par le développement, en amont, de ces nouvelles technologies notamment dans les domaines de l’optique adaptative, de détecteurs spécifiques et de composants coronographiques », commente Kjetil Dohlen (LAM), ingénieur système du projet SPHERE.

Le LAM est un des principaux acteurs du projet SPHERE, tant sur le plan des objectifs scientifiques que pour la réalisation technologique de l’instrument. L’équipe exoplanètes et étoiles du LAM compte parmi les meilleures de son domaine sur le plan international. Son travail a contribué à définir les objectifs scientifiques de l’instrument. Les ingénieurs, techniciens et chercheurs du LAM ont ensuite repris ces objectifs et développé des solutions instrumentales innovantes pour les atteindre. Le laboratoire a en particulier entièrement développé le spectro-imageur dans le proche infrarouge IRDIS, instrument scientifique principal de SPHERE. L’équipe de recherche en instrumentation optique a développé de nouvelles techniques de fabrication optique par polissage sous contrainte qui permet d’obtenir des surfaces asphériques complexes de très haute-qualité. Le LAM a également pris en charge l’ingénierie système de l’ensemble de SPHERE, ainsi que la gestion qualité et documentation du projet. Le système d’optique adaptative extrême de l’instrument utilise également les détecteurs issus des innovations des équipes détecteur du LAM. 

Développé par un vaste consortium européen [1], et assemblé avec ses sous-systèmes à l’IPAG (CNRS/UJF) à Grenoble, SPHERE a passé avec succès ses tests d’acceptation en décembre 2013. Il a été ensuite acheminé au Chili, sur le site du VLT à Paranal puis la délicate phase de réassemblage de ses éléments a été achevée en mai 2014. Fort de son implication et de son expertise, le personnel du laboratoire a passé plusieurs mois au Chili durant les phases de réassemblage, intégration, test et vérification sur le ciel.
Cet instrument de nouvelle génération [2] est à présent installé sur le troisième télescope de 8-m du VLT.

Lors de ses premiers tests sur le ciel, SPHERE a validé ses différents modes d’observations et a réalisé des clichés sans précédents, témoins de la formidable capacité de SPHERE à supprimer l’éclat de l’étoile brillante située au centre de l’image. On peut notamment découvrir la meilleure image acquise à ce jour de l’anneau de poussières autour de l’étoile HR 4796A ainsi qu’un très beau cliché du compagnon stellaire autour de l’étoile iota Sagittarii. Ce dernier cliché permet de valider les performances de l’instrument pour sa recherche de nouvelle exoplanètes.

SPHERE sera mis à disposition de la communauté des astronomes à la fin de l’année 2014, au terme d’une campagne de vérification scientifique de l’instrument. Le LAM et son équipe de recherche sur les exoplanètes travaillent d’ores et déjà à la préparation des futures observations, et ils tiendront un rôle clé dans l’exploitation scientifique de l’instrument SPHERE.

Liens
• Page du LAM sur SPHERE :
http://www.lam.fr/projets-plateform...

• Pages dédiées à SPHERE sur le site Web de l’Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG) : http://sphere.osug.fr/

• Page de l’ESO dédiée à la science de SPHERE :
http://www.eso.org/sci/facilities/d...

• Page dédiée à l’instrument IRDIS sur la photothèque du CNRS : http://phototheque.cnrs.fr/front/ba...

IMAGES


SPHERE réalise une image du disque situé autour de l’étoile HR 4796A
Cette image acquise dans le domaine infrarouge montre le disque de poussière qui entoure l’étoile proche HR 4796A dans la constellation australe du Centaure. Elle fut l’une des toutes premières images produites par l’instrument SPHERE, peu après qu’il ait été installé sur le Très Grand Télescope de l’ESO en mai 2014. La résolution de l’anneau est exceptionnelle. Cette image témoigne également de la formidable capacité de SPHERE à réduire l’éclat de l’étoile très brillante – un atout essentiel pour détecter et étudier des exoplanètes dans un proche avenir.
Crédit : ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

Images de Titan, la lune de Saturne, acquise par SPHERE
Ces image de Titan, la plus grande lune de Saturne, ont été acquises à la fois dans le domaine infrarouge et dans le domaine visible. Elles furent parmi les toutes premières images produites par l’instrument SPHERE, peu après qu’il ait été installé sur le Très Grand Télescope de l’ESO en mai 2014.

L’image infrarouge (à gauche), montre toute l’efficacité du système d’optique adaptative lorsqu’il s’agit de révéler le moindre détail de ce disque pourtant très fin. Titan est le plus gros satellite de Saturne (environ 1,5 fois le diamètre de notre Lune). Il est recouvert d’une atmosphère étendue constituée principalement d’azote, avec des traces (environ 1,5%) de méthane. Alors que dans le visible, la surface du satellite est cachée derrière une brume épaisse, cette image en proche infrarouge a été obtenue à une longueur d’onde qui permet de pénétrer dans l’atmosphère, et de sonder sa surface.

Titan fut également utilisé comme cible pour tester les capacités polarimétriques de SPHERE dans le visible (deux images de droite), un atout essentiel pour l’étude de certaines exoplanètes. L’atmosphère de Titan possède une épaisse couche de brume qui réfléchit la lumière visible du Soleil. Par conséquent, contrairement à l’infrarouge proche, nous ne pouvons pas voir la surface du satellite et Titan ressemble à une sphère sans structure (au centre). Cependant, la lumière diffusée par la brume est fortement polarisée, comme l’est le ciel sur Terre. L’instrument SPHERE est équipé de polarimètres très sensibles, qui permettent de mesurer à quel point la lumière est polarisée (à droite). Le limbe de Titan est très fortement polarisé en raison de la diffusion par les particules de brume. Cette technique polarimétrique sera utilisé par SPHERE pour la recherche d’exoplanètes en lumière réfléchie, et donc polarisée.
Crédit : ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium


SPHERE livre la première image du compagnon stellaire de iota Sgr (HR7581)

Ces images illustrent la première détection directe du compagnon en orbite autour de l‘étoile iota de la constellation du Sagittaire. Elles ont été obtenues simultanément par deux des détecteurs scientifiques de SPHERE, la caméra d’imagerie différentielle (IRDIS) et le spectrographe à intégrale de champ (IFS), tous deux observant dans l’infrarouge proche. La lumière de l’étoile centrale a été masqué par un coronographe. Le compagnon détecté est une étoile de très faible masse, 9 magnitudes plus faible que son étoile hôte, à une séparation de 0,24’’.
Crédit : ESO/J.-L. Beuzit et al./SPHERE Consortium

L’instrument SPHERE installé sur le VLT
Sur cette image figure l’instrument SPHERE, peu après qu’il ait été installé sur le troisième télescope de 8-m du VLT de l’ESO. L’instrument est cette boîte noire située sur la plateforme latérale du télescope.
Crédit : ESO/J. Girard

L’instrument SPHERE relié au VLT
Sur cette image figure l’instrument SPHERE, peu après qu’il ait été installé sur le troisième télescope de 8-m du VLT de l’ESO. Le télescope occupe la quasi-totalité de l’image et l’instrument lui-même est cette boîte noire visible dans l’angle inférieur droit.
Crédit : ESO/J. Girard


Préparation de SPHERE pour sa première lumière
Un ingénieur s’affaire autour des composants optiques et électroniques de l’instrument SPHERE, peu avant qu’il ne soit installé et qu’il ne capture, avec succès, sa première lumière en mai 2014.
Crédit : ESO


L’instrument SPHERE à l’approche du VLT
Sur cette image figure l’instrument SPHERE en cours d’acheminement du camp de base de l’Observatoire de Paranal de l’ESO vers les télescopes situés au sommet.
Crédit : ESO/J.-L. Lizon


L’instrument SPHERE hissé à l’intérieur du dôme du troisième télescope de 8 mètres du VLT
Sur cette image, l’instrument SPHERE est hissé, avec moultes précautions, à l’intérieur du dôme du troisième télescope de 8-m du VLT, prêt à être installé. L’instrument a acquis sa première lumière avec succès en mai 2014.
Crédit : ESO/J.-L. Lizon


Contact chercheur :

Arthur Vigan, Chargé de recherches au CNRS, LAM (CNRS/Aix-Marseille Université), arthur.vigan@lam.fr, Tel : 04.95.04.41.66

Contact presse :
Thierry Botti, Responsable du Service Communication, thierry.botti@osupytheas.fr, Tel : 04.95.04.41.06

Notes :
[1] SPHERE a été réalisé au sein d’un consortium international piloté par l’Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier) à l’Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble et rassemblant côté français :

  • le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille-LAM (CNRS/AMU) à l’Observatoire des sciences de l’Univers Pythéas ,
  • le Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique-LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Université Paris Diderot),
  • le Laboratoire Lagrange (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université de Nice Sophia-Antipolis) et
  • l’ Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA).

Au niveau européen : l’Institut Max Planck d’astronomie à Heidelberg, l’Observatoire de Genève, l’Institut National Italien d’Astrophysique (INAF) coordonné par l’Observatoire astronomique de Padoue, l’Institut d’Astronomie de l’ETH Zurich, l’Institut astronomique de l’Université d’Amsterdam et NOVA (Pays-Bas), la fédération des instituts d’Astronomie des Pays-Bas (NOVA) et l’institut néerlandais de radioastronomie ASTRON (Pays-Bas) et l’ESO.
[2] Les instruments de seconde génération pour le VLT sont X-Shooter, KMOS, MUSE et SPHERE. Voir aussi la page instrumentation de l’ESO : http://www.eso.org/sci/facilities/p...




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